Ciecz newtonowska

Ciecz newtonowska to taka, w której naprężenie ścinające powstające podczas przepływu jest liniowo zależne od szybkości odkształcenia ścinającego (czyli gradientu prędkości). Nazwa pochodzi od Isaac Newton, który jako pierwszy sformułował prawo opisujące tę zależność.

Matematycznie zależność tę zapisuje się w postaci: τ = μ * (du/dy)

gdzie:

• τ – naprężenie ścinające,
• μ – lepkość dynamiczna,
• du\dy​ – gradient prędkości w kierunku prostopadłym do przepływu.

Jeśli lepkość μ\muμ jest stała, naprężenie ścinające rośnie proporcjonalnie do szybkości odkształcenia. Typowym przykładem cieczy newtonowskiej jest woda przepływająca przez rurę — im większy gradient prędkości przy ścianie, tym większe naprężenia ścinające.

Najważniejsze cechy cieczy newtonowskich

• Lepkość jest stała (dla danych warunków temperatury i ciśnienia).
• Zależność między naprężeniem a szybkością odkształcenia jest liniowa.
• Właściwości reologiczne nie zależą od historii obciążenia ani od czasu działania siły.
• Charakter przepływu (laminarny czy turbulentny) nie zmienia samej zależności konstytutywnej.

Do typowych cieczy newtonowskich należą:

• woda,
• powietrze,
• oleje o niskiej lepkości,
• alkohol.

Ciecze nienewtonowskie – przeciwieństwo cieczy newtonowskich

Przeciwieństwem są ciecze nienewtonowskie, w których lepkość zależy od szybkości ścinania lub czasu działania obciążenia. Przykłady to pasta do zębów, farba czy zawiesiny polimerowe. W takich cieczach zależność między naprężeniem a szybkością odkształcenia nie jest liniowa, a przepływ może wymagać przekroczenia pewnej wartości naprężenia progowego.

Znaczenie cieczy newtonowskich w analizach numerycznych

W obliczeniach CFD (Computational Fluid Dynamics) model cieczy newtonowskiej jest podstawowym i najczęściej stosowanym modelem reologicznym. Uproszczenie w postaci stałej lepkości pozwala na stosowanie klasycznych równań Naviera–Stokesa bez dodatkowych członów nieliniowych wynikających ze zmiennej lepkości.

Dla wielu zastosowań inżynierskich (hydraulika, aerodynamika, przepływy techniczne) założenie newtonowskiego charakteru cieczy jest wystarczające i zapewnia wysoką zgodność z rzeczywistością.